Geschichte der Physik: Kraft, Bewegung und Energie
Kraft und Bewegung
Wenn es keine Kraft gibt, die die Reibung aufhebt, kommen auf der Erde alle bewegten Objekte irgendwann zur Ruhe. Dies führte vor über 2300 Jahren Aristoteles und andere griechische Philosophen zu der Annahme, dass immer eine Kraft für eine Bewegung nötig ist. Je mehr Geschwindigkeit ein Objekt hatte, desto mehr Kraft war nötig. Aber am Himmel gehorchten die Sonne, der Mond und die Sterne anderen Regeln. Sie bewegten sich für immer und ewig im Kreis. Diese Ideen wurden allgemein bis ins frühe 17. Jahrhundert akzeptiert, als Galileo Galilei anfing, neue Vorstellungen über die Bewegung zu entwickeln. Aus seinen Beobachtungen folgerte er, dass gleitende Objekte, gäbe es keine Reibung, ihre Geschwindigkeit beibehalten würden. Und alle fallenden Objekte, ob leicht oder schwer, würden mit einer konstanten Rate an Geschwindigkeit zunehmen.
Unsere heutige Vorstellung von Kraft und Bewegung kommt hauptsächlich von Isaac Newton, der 1687 seine drei Bewegungsgesetze vorstellte. Unsere Definition von Kraft beruht auf seinem zweiten Gesetz:
$\mathrm {Kraft \ = \ Masse \ \cdot \ Beschleunigung}$
Newton erkannte auch, dass "Himmelskörper" den gleichen Gesetzen gehorchten. Die Bewegung des Mondes um die Erde wurde von der gleichen Kraft gesteuert, der Schwerkraft, die Objekte auf der Erde nach unten fallen ließ. Newton soll diese Idee gehabt haben, als er einen Apfel von einem Baum fallen sah, obwohl seine mathematische Behandlung der Schwerkraft viel komplizierter war, als diese einfache Beobachtung nahelegt.
Im Jahr 1905 stellte Albert Einstein seine spezielle Relativitätstheorie vor. Sie besagt unter anderem, dass Newtons zweites Gesetz der Bewegung nahe der Lichtgeschwindigkeit nicht mehr gültig ist. Bei den Geschwindigkeiten, die wir normalerweise auf der Erde messen, ist Newtons Gesetz jedoch ziemlich genau.
Energie und Wärme
Die moderne wissenschaftliche Definition von Energie entstand im frühen 19. Jahrhundert, als Wissenschaftler und Ingenieure Methoden entwickelten, um die Leistung von Dampfmaschinen zu messen. Dampfmaschinen produzierten Kräfte, mit denen man Dinge in Bewegung setzen konnte. Sie verrichteten also Arbeit und dafür mussten sie Energie abgeben. Es machte also Sinn, für die Messung von Energie und Arbeit die gleiche Einheit zu verwenden (heute Joule).
Nachdem sich die Vorstellung von Energie etabliert hatte, erkannte man schnell, dass Energie in verschiedenen Formen existieren kann - elektrisch, potentiell, kinetisch und so weiter. Das Energieerhaltungsgesetz wurde jedoch erst 1847 entwickelt.
Heute bringen wir ganz automatisch Wärme mit Energie in Verbindung. Die Wissenschaftler dachten jedoch einmal, dass Wärme eine unsichtbare, schwerelose Flüssigkeit namens "Kalorie" ist, die aus heißen Dingen herausfloss und bei Reibung aus Feststoffen herausgepresst wurde. In den 1790er Jahren führte Sir Benjamin Thompson, Graf von Rumford, einige Experimente durch, die darauf hindeuteten, dass die Kalorientheorie falsch war. Während er Kanonenrohre bohrte, stellte er fest, dass er eine unendliche Menge an Wärme erzeugen konnte, indem er den Bohrer immer weiter und weiter drehte. Wenn Wärme eine Flüssigkeit ist, sollte die Versorgung damit irgendwann aufhören. Stattdessen schien die Wärmemenge direkt mit dem Arbeitsaufwand verbunden zu sein. Die Verbindung zwischen Arbeit und Wärme wurde 1849 von James Prescott Joule fest etabliert. Er fand heraus, dass es immer 4,2 Joule Arbeit erforderte, um 1 Kalorie Wärme zu produzieren (eine frühere Einheit, äquivalent zu der Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 ° C zu erhöhen). Die Arbeit von Joule erklärte jedoch noch nicht, was Wärme eigentlich war.
Heute wissen wir, dass Materie aus Teilchen (Atomen oder Molekülen) besteht, die sich in zufälliger Bewegung befinden und dass Wärme mit dieser Bewegung in Beziehung steht. In einem Feststoff oder einer Flüssigkeit vibrieren die Teilchen, wobei sie sich in einem Gas frei und mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Ihre zufällige Bewegung wird als Brownsche Bewegung bezeichnet, und die Energie, die ein Objekt dadurch hat, wird innere Energie genannt (die Summe der kinetischen und potentiellen Energien aller Teilchen).
Wenn ein heißes Objekt wie oben mit einem kälteren in Kontakt kommt, wird aufgrund der Temperaturdifferenz Energie von einem Objekt zum anderen übertragen. Diese Energie nennt man Wärme. Die innere Energie ist also die Gesamtmenge an Energie aufgrund von thermischer Aktivität, während Wärme eine übertragene Energiemenge darstellt. Beide können jedoch der Einfachheit halber als thermische Energie bezeichnet werden.
